Umweltfreundliche 3D-gedruckte Polymerverbundteile aus Chitosan von Landinsekten

Ein internationales interdisziplinäres Forscherteam aus Indien, Malaysia, Singapur und Thailand hat erfolgreich eine Methode entwickelt, Chitosan aus Landinsekten zur Herstellung umweltfreundlicher Polymerverbundteile im 3D‐Druckverfahren zu verwenden.

Der 3D-Druck ist eine Form der additiven Fertigungstechnologie, die in letzter Zeit immer beliebter wird, da sie komplexe Formen und Geometrien herstellen kann, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur schwer zu erreichen waren. Dadurch steigt die Nachfrage nach Rohstoffen für den 3D-Druck. Es ist von entscheidender Bedeutung, einen verantwortungsvollen Umgang mit Rohstoffen für den 3D-Druck sicherzustellen, um das UN-Nachhaltigkeitsziel 12 zu erreichen, dh die Förderung nachhaltiger Konsum- und Produktionsmuster.

Chitosan ist ein natürliches Biopolymer, das aus Chitin gewonnen wird, einem Polysaccharid, das in den Außenskeletten von Arthropoden wie Insekten sowie in Meerestieren wie Krebspanzern vorkommt. Landinsekten sind aufgrund ihres Überflusses, ihrer Zugänglichkeit und ihres relativ hohen Chitingehalts in ihren Exoskeletten eine potenzielle Quelle für Chitosan. Die Gewinnung von Chitosan aus terrestrischen Insekten bietet mehrere potenzielle Vorteile, einschließlich einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Produktion.

Insekten sind eine nachhaltige Quelle für Chitosan, da sie einfach gezüchtet und in großen Mengen geerntet werden können, ohne zur Umweltverschmutzung beizutragen. Im Gegensatz dazu können traditionelle Chitosanquellen wie Garnelen- und Krabbenschalen nicht nachhaltig sein und negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Es bleibt jedoch umstritten, wie Chitin- und Chitosanmaterialien, die von terrestrischen Insekten stammen, am besten verwendet werden können.

Diese Studie hat die Machbarkeit der Entwicklung eines umweltfreundlichen Verbundmaterials mithilfe der 3D-Drucktechnologie untersucht. Die Studie ergab, dass die Zugabe von Chitin und Chitosan, die aus Landinsekten stammen, zur PLA-Matrix zu einer Abnahme der Festigkeit und Steifheit führte, die sich mit steigenden Konzentrationen von Chitin und Chitosan verschlechterte. Das Verbundmaterial mit 0,5 Gew.-% Chitin-Verstärkung hatte die niedrigste Zug- und Biegefestigkeit im Vergleich zu anderen Verbundmaterialien, die durch additive Fertigung hergestellt wurden.

Die Verringerung der Festigkeit und Steifigkeit der Chitin/PLA- und Chitosan/PLA-Verbundstoffe im Vergleich zu reinem PLA wurde der verringerten Grenzflächenbindung zwischen der Verstärkung und der Matrix zugeschrieben. Dies führte zu Polymergleiten, wenn der Verbundstoff einer äußeren Belastung ausgesetzt wurde. Die Chitin/PLA- und Chitosan/PLA-Verbundstoffe zeigten jedoch eine verbesserte Duktilität im Vergleich zu reinem PLA, wobei der 0,1 Gew.-% Chitin-Verbundstoff die höchste Duktilität zeigte. Es wurde der Schluss gezogen, dass Chitin und Chitosan zur Zähigkeit des PLA-Verbundstoffs beitragen könnten.

Die Studie ergab auch, dass die Dichte der Verbundstoffe mit steigenden Konzentrationen von Chitin und Chitosan zunahm. FTIR- und XRD-Analysen bestätigten die kristalline und chemische Bindungsnatur der Verbundproben. Die mikrostrukturelle Untersuchung zeigte Hohlräume und verunreinigungsähnliche Partikel, die mit der Chitin- und Chitosan-Zersetzung in den Verbundstoffen in Zusammenhang stehen. Die Chitin/PLA- und Chitosan/PLA-Verbundstoffe zeigten eine gute thermische Stabilität und könnten aufgrund ihrer Druckeigenschaften potenzielle Anwendungen für Lebensmittelverpackungen haben.

Weitere Forschung ist erforderlich, um Grenzflächenbindungs- und Nachbehandlungsprozesse zu untersuchen, um die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe und die Skalierbarkeit des Verfahrens für die industrielle Produktion zu verbessern. Eines ist sicher: Die Verwendung von Chitosan (Chitin), das aus terrestrischen Insekten gewonnen wird, als Material zur Herstellung von Filamenten für den 3D-Druck von Teilen, könnte zu einem kohlenstoffarmen Weg führen, das UN-Ziel für nachhaltige Entwicklung 12 zu erreichen, dh nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster zu fördern .